超聲輔助制備辛烯基琥珀酸淀粉酯及其對品質的影響

王寶珊 張玉杰 代養勇 季 飛 丁秀臻 侯漢學 王文濤 張 慧 李向陽

(山東農業大學食品科學與工程學院；山東省糧食加工技術工程技術研究中心1，泰安 271018) (山東省聊城市茌平區農業農村局2，聊城 252100)

代養勇，男，1975年出生，副教授，糧油加工

淀粉是一種天然的多晶體系，其緊密的結晶區使水分、反應物等物質很難進入到顆粒內部，限制了反應效率和產物品質[1]。因此，探索如何適當改變淀粉顆粒結構和性能來提高淀粉的反應活性及品質具有重要的研究意義。近年來將超聲波技術應用于變性淀粉的研究成為熱點。Pamela等[2]在超聲頻率24 kHz條件下處理玉米淀粉16 min，結果發現抗性淀粉質量分數由2.1%提高到4.0%，快速消化淀粉質量分數從42.9%增大到60%。Sit等[3]研究發現淀粉經超聲處理后其溶脹性、糊化性和質構性均有顯著的提高。Shabana等[4]超聲處理馬鈴薯淀粉15 min后，再進行酸水解45 min制備了馬鈴薯納米淀粉顆粒，發現其粒徑從1 596 nm減小到了80 nm。其作用機制都歸結為超聲波對物料產生的“空化效應”。超聲波的“空化效應”主要會產生三種機械力效應：局部超高壓、高速射流和高頻振動[5]。因此，超聲對淀粉化學活性及品質的作用機制有望借鑒機械力化學的理論解釋。

機械力化學是將機械力的能量轉化為化學能的過程，它能夠使一些在常溫常壓下不能發生的反應或不能實現的途徑變為可能[6]。在機械力作用下，物質會發生一系列的物理和化學變化，其作用過程通常分為3個階段：受力階段、聚集階段和團聚階段[7]。

低取代度(0.010～0.045)的辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)在食品工業中應用較為廣泛[8]。但常規方法所制得的OSAS水溶特性等性能較差，如何提高低取代度OSAS的品質成為當前的技術難點。本研究通過超聲輔助制備低取代度OSAS，研究超聲處理對OSAS品質的影響；并通過XRD、FTIR、DSC等手段研究不同超聲功率的處理對木薯原淀粉結構及理化性質的影響，借鑒機械力化學相關理論分析超聲對OSAS品質的影響機制。

1 材料與方法

1.1 材料

木薯淀粉；APTS(8-氨基芘基-1,3,6三磺酸三鈉鹽)、氰基硼氫化鈉、辛烯基琥珀酸酐：分析純。

1.2 儀器

KQ-600DB超聲波清洗機；RVA-ERITM黏度分析儀；Nicolet is5傅立葉變換紅外光譜儀；D8 ADVANCE型X射線衍射儀；QUANTA FEG250掃描電子顯微鏡；TA-60熱重分析儀；200PC差示量熱掃描儀；UV-2100型紫外可見分光光度計。

1.3 方法

1.3.1 超聲輔助制備低取代度OSAS

根據Chen等[9]方法，略作修改來超聲輔助制備OSAS。稱取木薯原淀粉(100 g，干基)配制成35%(w/w)的淀粉乳，用1 mol/L的NaOH溶液調pH至8.0，堿化20 min。將淀粉乳放入超聲波清洗槽中，分別在超聲功率為0、100、300、400、600 W條件下處理20 min，超聲頻率為20 kHz，溫度控制在35 ℃，期間緩慢滴加無水乙醇稀釋3倍的辛烯基琥珀酸酐(OSA)溶液，OSA的加入量為淀粉干基的3%，每個樣品反應總時間為6 h。反應結束后，用1 mol/L的HCl溶液將其pH調至6.5，用去離子水和95%乙醇洗滌，過濾。最后將樣品于45 ℃烘箱中干燥，粉碎，過100目篩得到OSAS。

1.3.2 超聲處理木薯原淀粉

制備等量相同濃度的淀粉乳，攪拌均勻后置于超聲清洗槽中，將其分別在超聲功率為0、100、300、400、600 W條件下處理20 min，超聲頻率為20 kHz，溫度維持在35 ℃。將處理后的淀粉乳置于45 ℃烘箱中干燥，粉碎，過100目篩得到超聲改性木薯淀粉。

1.3.3 超聲輔助制備OSAS品質的測定

1.3.3.1 取代度(DS)和反應效率(RE)測定

稱取1.50 g樣品于100 mL燒杯中，加入50 mL 95%的乙醇溶液，磁力攪拌10 min，隨后加入15 mL 2 mol/L鹽酸-乙醇溶液，繼續攪拌30 min。將樣品倒入布氏漏斗，用90%乙醇抽濾洗滌至無氯離子(用0.1 mol/L硝酸銀溶液檢驗)。再將樣品移入250 mL三角瓶并加入100 mL蒸餾水，沸水浴30 min，加2滴酚酞，趁熱用0.1 mol/L NaOH標準溶液滴至粉色，未改性的淀粉作空白對照[10]。

式中：0.162為葡萄糖殘基的摩爾質量/kg/mol；0.210為辛烯基琥珀酰基的摩爾質量/kg/mol；A為耗用0.1 mol/L NaOH標準溶液的體積/mL；W為OSAS樣品干基質量/g；M為NaOH標準溶液的濃度/mol/L。

式中：理論取代度為假設全部OSA都與淀粉反應時的取代度。

1.3.3.2 水溶指數(S)和膨脹度(SP)測定

配制一定濃度的淀粉溶液，在85 ℃下糊化30 min后，冷卻至室溫。在3 000 r/min條件下進行離心30 min，將上層清液傾出于已經恒重的燒杯中，放入105 ℃烘箱中烘干至恒重。計算公式如下[11]：

式中：A為上清液烘干恒重后的質量/g；W為絕干樣品質量/g；P為離心后沉淀物質量/g。

1.3.3.3 糊化特性測定

RVA測定程序：50 ℃保持1 min；3.7 min后上升至95 ℃，95 ℃保持2.5 min；3.8 min后下降至50 ℃，50 ℃保持2 min。起始10 s內攪拌器轉速為960 r/min，之后保持轉速160 r/min。

1.3.4 超聲處理后木薯原淀粉結構及性質的測定

1.3.4.1 結晶結構測定(XRD)

測試條件：特征射線CuKα，管壓為40 kV，電流為100 mA，掃描速率為4°/min，測量角度2θ=5°～40°，步長為0.02°，發散狹峰為1°，防發散狹峰為1°，接受狹峰為0.16 mm[12]。

1.3.4.2 分子結構測定(FTIR)

稱取1.00 mg淀粉樣品和150.00 mg溴化鉀粉末于瑪堪研缽中，將兩者研磨均勻后，裝入壓片模具中抽真空壓制成簿片。FTIR測定條件：波長范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數為32，分辨率為4 cm-1。

1.3.4.3 糊特性測定(DSC)

稱取5.00 mg淀粉樣品于鋁制密封坩堝中，加入15 μL去離子水，4 ℃平衡12 h。以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃升溫至100 ℃，記錄升溫過程的DSC曲線。

1.3.4.4 顆粒形貌測定(SEM)

將樣品進行干燥，用導電雙面膠將其固定在金屬樣品臺上，然后進行噴金處理，在2 000倍SEM下觀察。

1.3.4.5 淀粉-碘復合物吸收光譜測定

根據Sujka等[13]方法在可見波長(400～800 nm)下進行淀粉-碘復合物的吸光度測定。

表1 不同超聲功率處理對OSAS品質的影響

注：同一列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。括號內的值為木薯原淀粉在同一超聲處理功率下的S、SP和糊化特性。

1.3.4.6 熱穩定性測定

測試條件：升溫速率10 ℃/min，溫度范圍25～600 ℃，N2作為保護氣[14]。

1.3.5 數據處理

采用SPSS22.0、PeakFit4.12、Origin8.5和Excel軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 超聲處理對OSAS品質的影響

取代度和反應效率能夠反映出淀粉的化學活性[15]。與木薯原淀粉相比，超聲輔助制備的OSAS的取代度和反應效率顯著提高(表1)，可見超聲處理有利于OSA和水分子進入淀粉顆粒內部，增加淀粉顆粒與OSA的接觸面積和機率，提高反應效率。

由表1可看出，未經超聲處理(0 W)制備的OSAS取代度雖已達到0.014 3，但其溶解度、膨脹度和黏度特性與原淀粉相比提高并不顯著。經超聲功率為100 W和400～600 W的處理后，OSAS的溶解度、膨脹度和黏度特性顯著提高，糊化溫度顯著降低，說明超聲處理使淀粉顆粒結構疏松，水分子更容易與淀粉顆粒接觸，Monroy等[16]也報道超聲處理使淀粉顆粒表面形成空穴，提供通道，有利于水分子向顆粒內部的擴散。OSAS的取代度越高，說明OSA與淀粉顆粒的反應程度越高，淀粉鏈上的OSA基團越多，OSA長鏈引入到淀粉分子后，使淀粉分子之間的氫鍵作用力減弱[17]，所以淀粉分子在較低的溫度下就可以糊化，即OSAS的糊化溫度降低，糊化黏度增大。而300 W超聲處理后，OSAS的反應活性和反應效率有所降低。

2.2 不同超聲功率處理對木薯原淀粉結構及性質的影響

2.2.1 不同超聲功率處理對木薯原淀粉結晶結構的影響

100 W超聲處理后，木薯淀粉結晶度由30.7%下降至25.8%。當超聲功率為300 W時，結晶度顯著升高至28.2%(見圖1)，可能由于此階段超聲處理使淀粉分子發生了重排，促進了亞微晶的晶體化[18]，淀粉顆粒內部結構變得有序。隨著功率的增大，淀粉顆粒結構受到嚴重破壞，淀粉分子被降解[19]；Jambrak等[20]研究發現超聲處理促進了水分子向淀粉顆粒內部的擴散，特別是向非晶相的擴散。換言之，淀粉顆粒的破壞和水分子的擴散導致了晶體結構的斷裂。因此，經過400～600 W超聲處理后，淀粉顆粒的結晶度顯著降低。

圖1 不同超聲功率處理木薯淀粉的X-衍射圖譜

2.2.2 不同超聲功率處理對木薯原淀粉分子結構和糊化特性的影響

1 300～800 cm-1為紅外光譜的指紋區，其吸收峰對應于C-O和C-C伸縮振動，其中一些振動對聚合物的變化和淀粉的水化反應很敏感[21]。例如，在1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸收峰分別代表淀粉顆粒中的結晶區和無定型區，995 cm-1處的吸收峰對含水量很敏感[22]。1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值代表晶體區域的有序程度，995 cm-1/1 022 cm-1的比值代表晶體內部雙螺旋結構的組織狀態[23]。據報道糊化溫度(To、Tp和Tc)反映了晶體結構的有序性，糊化焓(ΔH)主要反映了在糊化過程中解離雙螺旋結構所需的能量[24]。因此，利用FTIR和DSC來研究淀粉分子的有序結構和糊化特性之間的關系具有重要意義。

100 W超聲處理后，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值下降，995 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明結晶區的有序性降低，雙螺旋結構變得疏松，因此，淀粉顆粒在糊化時吸收的能量較少，易于糊化。當超聲功率為300 W時，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明淀粉顆粒結晶區的有序性增加，同時，995 cm-1/1 022 cm-1的比值降低，表明淀粉顆粒的含水量較低，晶體內部的雙螺旋結構的組織性較好。因此淀粉顆粒需要更多的能量來破壞雙螺旋結構，導致該階段的To、Tp、Tc和ΔH增加(表2)。400～600 W超聲處理后，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值下降，995 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明超聲處理嚴重破壞了淀粉的有序結晶結構，淀粉顆粒結構疏松，增加了淀粉顆粒與水分子的接觸面積[25]。因此，To、Tp、Tc和ΔH顯著降低，打破雙螺旋結構所需的能量減少。

2.2.3 不同超聲處理功率對木薯原淀粉顆粒形貌的影響

由圖3a可看出，木薯原淀粉顆粒表面較光滑，無碎片和孔洞。100 W超聲處理后，淀粉顆粒表面變粗糙，并出現一些凹陷，說明超聲處理對淀粉顆粒產生了一定的機械力作用。300 W超聲處理后，淀粉顆粒表面產生凸起，并且黏附碎屑，可能是內部淀粉分子發生聚集所致。當超聲功率為400～600 W時，淀粉顆粒嚴重變形，表面黏附的碎片增多，主要由于較高功率的超聲處理使淀粉分子的內能增加，較大的應力和應變作用使顆粒形貌嚴重發生形變，導致顆粒結構嚴重受損。Zuo等[26]通過超聲波產生的高剪切力和微射流兩種空化現象解釋了淀粉顆粒的損傷和破碎。

注：a為歸一化后4 000～700 cm-1區域的紅外光譜圖；b-f為二階求導后1 200～800 cm-1區域的紅外光譜圖。b為木薯原淀粉；c、d、e、f分別為超聲100、300、400、600 W處理。圖2 不同超聲功率處理木薯淀粉的紅外光譜圖

表2 不同超聲功率處理對木薯淀粉紅外和糊化特性的影響

超聲功率/W1 047 cm-1/1 022 cm-1995 cm-1/1 022 cm-1ΔΗ/J·g-1Tp/℃To/℃Tc/℃01.01 ± 0.01a0.86 ± 0.00d10.28 ± 0.98a70.0± 0.31a60.5± 0.14a78.4± 0.06a1000.91 ± 0.01c1.16 ± 0.02c8.78 ± 0.53c68.8 ± 0.19b59.1 ± 0.09b77.1 ± 0.07b3000.98 ± 0.00b1.11 ± 0.01cd9.98 ± 0.31b69.9 ± 0.20a59.8 ± 0.10a78.0 ± 0.05a4000.85 ± 0.01d1.27 ± 0.01b8.23 ± 0.66cd68.7 ± 0.11b58.7 ± 0.12bc76.8 ± 0.10c6000.77 ± 0.01e1.35 ± 0.00a7.93 ± 0.76d67.9 ± 0.10c57.9 ± 0.07c75.9 ± 0.08d

注：同一列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。To，起始溫度；Tp，峰值溫度；Tc，最終溫度。

圖3 不同超聲處理功率木薯淀粉的掃描電鏡圖(×2 000)

2.2.4 不同超聲處理功率對木薯原淀粉的淀粉-碘復合物吸收光譜的影響

通過淀粉與碘形成的紫外最大吸光度值初步推斷超聲波處理對淀粉分子的降解能力。A680/A545的比值可表征直鏈淀粉和分支結構分子的比例，比值越大，表明直鏈淀粉含量越高。由圖4可看出，淀粉與碘形成復合物的吸光度隨超聲功率強度的增大而增大，說明不同功率的超聲處理后，淀粉的組分含量發生了改變。從表3得知，木薯原淀粉的特征吸收波長λmax在608 nm左右，經600 W超聲處理后其λmax增大至637 nm左右，A680/A545比值也增大，變化趨勢與λmax一致。這是由于超聲波的機械剪切作用和空化效應使部分長鏈發生降解，支鏈淀粉分子中的糖苷鍵被降解，增進了淀粉分子與碘分子的結合，這與羅志剛等[27]研究結果一致。Liu等[28]研究也表明高功率超聲處理增加了直鏈淀粉含量。

圖4 不同超聲處理功率木薯淀粉的淀粉-碘復合物吸收光譜

表3 不同超聲處理功率木薯淀粉顆粒的最大吸收波長及A680/A545比值

超聲功率/W特征吸收波長λmax /nmA680/A54506081.331006211.493006161.454006271.656006371.82

注：同一列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.5 不同超聲處理功率對木薯原淀粉熱穩定性的影響

從圖5可看出，木薯淀粉的熱分解主要有兩個階段：第一階段(T ≤ 150 ℃)質量損失主要是水分蒸發所致；第二階段(250 ≤T≤ 350 ℃)主要與糖類有機物熱解逸散有關[29]。100 W超聲處理后，木薯淀粉顆粒的熱解逸散溫度有所降低(圖5A)，失重速率增大(圖5B)，可見超聲處理降低了淀粉顆粒的熱穩定性。當超聲功率為300 W時，失重速率在兩個階段顯著降到最低，這是由于該階段顆粒結構緊密，結晶度和熱穩定性升高，導致淀粉熱解速率降低。當超聲功率增大到400～600 W時，由于顆粒結晶結構破壞嚴重，無序化程度提高，熱穩定性下降，淀粉分子容易熱解，所以熱解逸散溫度降低，失重速率顯著增大。

圖5 不同超聲處理功率木薯淀粉的TGA圖和DTG圖

通過以上對木薯原淀粉結構及性質的實驗數據分析可看出，超聲處理對木薯淀粉顆粒產生了顯著的機械力化學效應。根據機械力化學相關理論，300 W超聲處理與機械力化學效應的聚集階段對應，100 W和400～600 W超聲處理分別與受力階段和團聚階段對應。

2.3 超聲處理對OSAS品質的影響機制

淀粉顆粒具有較厚的外殼和緊密的結晶結構，在正常情況下，水分和試劑很難進入到淀粉顆粒內部。OSA是油性物質，加入到淀粉乳液中會以油滴狀懸浮于上面，不能與淀粉顆粒完全地接觸。所以，OSA基團在淀粉顆粒中分布不均勻，反應部位僅限于淀粉顆粒的表面[30]，反應效率也不高。

超聲波能夠對淀粉顆粒和OSA起到作用。超聲波空化效應瞬間產生的高溫高壓環境，排除了淀粉顆粒內部的空氣，使結構變疏松，有利于水分子和試劑進入內部孔道，提高了反應效率。此外，超聲處理對淀粉顆粒產生的顯著機械力可促進淀粉分子產生大量的自由基[31]，以及晶體位錯的增加和移動，使淀粉顆粒的活性位點增多，有利于OSA和淀粉分子的均相反應。超聲波作用于OSA時，超聲波產生的機械剪切力和空化作用，能夠打破和分散漂浮于乳液上面的OSA液滴，從而有利于與淀粉顆粒的接觸[32]。超聲處理使OSA液滴變小也進一步提高了液滴在淀粉乳液中的溶解性，較小的液滴更容易進入淀粉顆粒內部[33]，使反應不僅局限于淀粉顆粒表面，提高了反應活性和反應效率。所以，超聲處理可顯著提高OSAS的品質。

但300 W超聲處理后淀粉顆粒處于聚集階段，顆粒內部發生了聚集和重排，使其結構緊密，水分和OSA不易進入顆粒內部，限制了淀粉顆粒的膨脹，導致反應效率、溶解度、膨脹度和黏度降低。同時由于聚集和團聚效應，填充在中央腔和孔道的淀粉鏈取代基不能被測定[34]，導致在300 W和400～600 W條件下測定的結果比實際值偏低。

3 結論

木薯淀粉經超聲處理后其結晶結構和顆粒形貌受到破壞，糊化溫度和熱穩定性顯著降低，直鏈淀粉含量顯著增加。超聲處理對淀粉顆粒產生了顯著的機械力化學效應，其作用的三個階段具有不同的影響機制。超聲100 W和400～600 W處理后，OSAS的反應效率和品質顯著提高，而超聲功率為300 W時，其品質發生了不同的變化。